CN108247859B - 一种用于硬脆材料钻削的钎焊金刚石细孔钻 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于硬脆材料钻削的钎焊金刚石细孔钻，属于超硬磨料钻头的制作领域，包括转接基座，钻削柄，钻削头；钻头转接基座用于连接钻削设备，钻削柄为圆筒状细长结构，钻削头为钻削的工作部位。钻削柄长度大于工作要求钻削深度，钻削柄与连接基座芯部为孔，用于通冷却液；钻头顶端开单条宽槽，宽槽两边顶部开若干细槽，细槽内与钻头顶端其余部位排布金刚石；本发明所设计钻头具有钻削效率高，钻削寿命长，钻削过程稳定等优势，可广泛应用于陶瓷、大理石、水晶等硬脆材料的细小孔、长孔、盲孔等加工。

Description

一种用于硬脆材料钻削的钎焊金刚石细孔钻

技术领域

本发明属于超硬磨料钻头的制作领域，具体是指一种用于硬脆材料钻削的钎焊金刚石细孔钻。

背景技术

金刚石钻头主要用于在陶瓷、玻璃、大理石等硬脆材料上钻削、取芯等，这些材料通常硬度高，表面光滑，采用普通的钢质及合金钻头无法正常的打孔，由于金刚石钻头硬度比陶瓷和玻璃等硬脆材料高，且金刚石磨粒具有一定的自锐性，所以能在上述材料上进行打孔。

常用的金刚石钻头多是由一定组分的金属合金与金刚石混合烧结将金刚石固结把持制备，其金刚石由于未被完全牢固把持，金刚石颗粒较易脱落，且出露不高，这样在钻削的过程中极易造成钻头堵塞使钻头失去钻削性能。同样的，利用电镀技术将金刚石磨粒电镀在钻头基体之上制备的电镀钻头其金刚石的把持强度亦较低，虽然出露程度尚可，但牢固性较低，寿命不高。而且在上述的局限条件下，钻头的外形多为圆筒状，顶端排屑能力弱，进一步影响了其性能。钎焊金刚石钻头利用焊料中活性元素铬、钛等对金刚石的化学冶金结合，使金刚石与基体之间产生了牢固把持，这样金刚石可以出露一半以上并有很好的把持强度，在这种情况下，钻削力可以增加，因此提高了钻削效率，又由于金刚石的牢固把持与自锐性，亦可得到较好的寿命。

虽然钎焊金刚石钻头具有上述的优势，在应用中亦发挥出较大的潜力，但在一些微细孔、盲孔、深孔加工中，其加工的效率、寿命、表面质量等仍然存在需要提高的地方。普通的金刚石钻头钻削时，由于内孔较大，一定压力的冷却液可以顺利进入钻头内壁，通过钻头和被加工材料的内外孔壁的微小间隙形成通路，对正在工作的金刚石磨粒进行热交换冷却，并将钻削下来的钻屑带走排出，达到冷却和排屑效果。这样金刚石磨粒可以继续在材料表面进行去除材料形成钻进动作，当钻头内孔较大时，甚至在不添加冷却液的情况下亦能进行钻削工作，这也说明了钻削过程中对废屑的排除是最为关键的过程。而当钻削孔十分细小时(不大于6mm)传统的冷却液在一定压力情况下难以有效地通过仅有3mm个左右的内孔进行冷却与排屑，多数碎屑堆积于钻头金刚石附近，靠钻头与钻孔间隙缓慢排出，这样不仅对金刚石磨粒的散热效果影响较大，而且导致钻削不锋利，影响钻削性能。虽然钎焊金刚石钻头可以做到比传统钻头更好的性能，但在细孔、长孔、盲孔等领域仍然存在需要改进之处。对于上述问题目前尚未有相关文献进行详细报道或分析。

中国发明专利申请CN103071833A公开了一种用于钻削碳纤维增强复合材料的专用刀具，该现有技术中：在刀体侧壁上开有清屑孔，在所述的刀体的头部连接钻头，所述的钻头带有一组槽口。其钻头为常规的钎焊金刚石钻头设计方案，若应用于细孔钻削，则由于侧壁开孔导致基体强度严重不足，影响钻削性能，而且钻头壁厚较小，不利于钻削寿命的提高。

中国发明专利申请CN102275228A公开了一种钎焊金刚石薄壁钻头，包括同轴设置的钻头基体和呈筒状的钻头，该现有技术中：在钻头的外端边缘上具有若干个钻齿，所述的钻齿呈非连续地排列，相邻的钻齿之间具有U型槽，所述的钻齿为圆弧形，并且其表面以钎焊的方式施加有金刚石磨粒。该钻头所实施方案具有一定的适用范围(25mm～150mm)，顶端钻齿只能用于大孔钻头，微细钻头上无法加工钻齿且不易排布磨粒。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题公开了一种用于硬脆材料钻削的新型钎焊金刚石细孔钻，本发明从基体设计入手，结合钻削条件，优选金刚石磨粒匹配方案，提高钻头钻削时的效率与稳定性，从根本上提高钻削寿命，解决了现有技术中有关细孔钻中的钻头基体顶端钻削部分设计方面以及钻头顶端磨粒参数匹配方面等的缺陷。

本发明是这样实现的：

一种用于硬脆材料钻削的新型钎焊金刚石细孔钻，所述的新型钎焊金刚石细孔钻自下而上依次包括转接基座、钻削柄、钻削头；所述的转接基座、钻削柄为连通的中空结构；所述的钻削头的顶端设置有一个宽槽，所述的宽槽为一个通槽，宽度等于内孔直径的1/2-1/4，深度1mm～5mm；所述的钻削头的顶端除去宽槽部分后其余为钻削部分，钻削部分设置有细槽，所述的细槽垂直于宽槽两边分布，细槽内嵌入金刚石磨粒，并在钻削头顶端其余部分以及顶端侧壁排布金刚石磨粒，侧壁排布宽度3mm～122mm，侧面焊接的金刚石利于对碎屑的排出与细孔内壁的修整。细槽所嵌入的金刚石磨粒高度为细槽深度的1.0～1.3倍，细槽宽度为金刚石磨粒粒径的1.3～1.6倍；所述的钻削头的顶端宽槽每一边所开细槽的数目由下列公式计算：

式中，n为细槽的数目(取整数)，D为钻头外径，l为细槽宽度，k为宽度系数，取1.5～2.5。

在钻削时，冷却液通过钻头内孔、经过顶端宽槽直接接触金刚石磨粒界面，有效冷却，且基本无碎屑堵塞。当顶端金刚石磨粒钻削一段时间磨平后，细槽内的金刚石高度为细槽深度的1.0～1.3倍，即由于高于顶端平面，开始发挥钻削作用，这样可以保持钻头的持续钻削作用，提高了钻削过程的稳定性与钻削寿命。又由于金属钢铁相对于金刚石及硬脆材料的硬度较低，顶端槽边金属会在钻削过程中被较快磨损，因此顶端细槽附近钢铁不影响槽内的金刚石发挥作用。

其中钻削柄基体材料为钢，所述的钢应具有较高的刚性与硬度，宜采用调质处理后具有良好的综合力学性能，良好的低温冲击韧性和低的缺口敏感性的钢种。在钻削头顶端采用开宽槽措施，目的是为保证较好的排屑性能，钻削时顶端宽槽可以有效地将碎屑排出，并利用注入的冷却水的冲击作用将热量与碎屑带走。钻头顶端除去宽槽部分后其余为钻削部分，为钻削加工的主要部位，在顶端进行开细槽，其作用是将金刚石磨粒嵌入细槽内。

进一步，所述的转接基座与所匹配的钻削设备连接，通过内螺纹式、六角柄式或者圆柄式的多种连接方式；所述的转接基座其芯部是中空的。中空的转接基座用于通冷却液或者其它冷却物质。转接基座与钻削设备的连接方式不影响钻头的使用，但需要保证钻头与设备的连接牢固不松动，不偏转。

进一步，所述的钻削柄长度在20mm～60mm之间，所述的钻削柄内孔与外径之间的壁厚在0.8～2.0mm之间。

进一步，所述的钻削柄芯部是中空的，与转接基座相通，钻削柄为圆筒状细长结构；在钻削柄与转接基座之间进行倒圆角。倒圆角的设计防止应力集中。

进一步，以钻头中心轴为基准，所述的钻削柄内孔与外径的同轴度均控制在±0.05mm之内。

进一步，所述的钻削头的顶端进行R0.5～R1.0的倒角。以有利于金刚石磨粒的附着。

进一步，所述金刚石磨粒平均粒径在0.15mm～0.50mm之间。

进一步，所述的钻削头的外径规格范围在3mm～122mm之间。所述钻头适宜规格范围在3mm～20mm之间，对于更大规格的钻头其外形仍然能够使用，但其最佳性能发挥范围为3mm～20mm之间。

进一步，所述的新型钎焊金刚石细孔钻在排布好磨粒后进行钎焊法固结；所述的焊料为镍基焊料，其成分为镍、铬、铁、硅；其含量百分比为：镍84％～85％，铬4％～5％，铁6.5％～7.5％，硅4％～5％。其焊接强度可以保证金刚石的牢固钎焊。

进一步，所述的焊料还可以为银基系列钎焊焊料、铜基系列钎焊焊料。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

1)本发明的新型钎焊金刚石细孔钻在顶端设置宽槽以及细槽，通过转接基座、钻削柄为连通的中空结构的设置，在钻削时，冷却液通过钻头内孔、经过顶端宽槽直接接触金刚石磨粒界面，有效冷却，且基本无碎屑堵塞。

2)当顶端金刚石磨粒钻削一段时间磨平后，细槽内的金刚石由于高于顶端平面，开始发挥钻削作用，这样可以保持钻头的持续钻削作用，提高了钻削过程的稳定性与钻削寿命。顶端槽边金属会在钻削过程中被较快磨损，因此顶端细槽附近钢铁不影响槽内的金刚石发挥作用。侧面焊接的金刚石利于对碎屑的排出与细孔内壁的修整；

3)本发明所设计钻头结合了钎焊技术的优势，充分利用了金刚石磨粒的自锐性与良好钻削性，并在此基础上创造性地改进设计了新型细孔钻基体，使其更适用于细小孔的钻削工作，基于上述的设计与发明，与传统钎焊金刚石孔钻相比，新型细孔钻基体不仅能较好地应用于小孔、深孔、盲孔等的钻削工作，而且效率提高10％以上，更重要的是具有更好的钻削稳定性以及高出一倍以上的钻削寿命。

附图说明

图1为本发明的钎焊金刚石细孔钻的顶部的示意图；

图2为本发明图1的A-A向剖视图；

图3为本发明图1的B-B向剖视图；

其中，1-细槽；2-钻削柄；3-内孔；4-顶端细槽金刚石；5-宽槽；6-顶面金刚石；7-侧面金刚石。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1～图3所示，在钻削头的顶端设置有一个宽槽5，宽槽5为一个通槽，宽度等于内孔3的直径的1/2，深度1mm～5mm；除去宽槽5部分后其余为钻削部分，钻削部分设置有细槽1，细槽1内嵌入金刚石磨粒，即顶端细槽金刚石4，并在钻削头顶端其余部分以及顶端侧壁排布金刚石磨粒，分别为顶面金刚石6以及侧面金刚石7，侧壁排布宽度3mm～12mm；细槽所嵌入的金刚石磨粒高度为细槽深度的1.0～1.3倍，细槽宽度为金刚石磨粒粒径的1.3～1.6倍。钻削柄2长度在20mm～60mm之间，所述的钻削柄的内孔3与外径之间的壁厚在0.8～2.0mm之间。

实施例1

设计一种可用于钻削硬陶瓷材料打盲孔用钎焊金刚石钻头，钻削孔径6mm，深度30mm。

本实施例由于打孔要求为盲孔，且孔径小，碎屑不易排出，需要冷却液从芯部注入排出碎屑，并且要求钻削锋利不得堵塞芯部孔。具体方案如下：

基体材料为40Cr钢，上端排布的金刚石平均粒径为0.35mm，基体外径5.2mm，内孔3尺寸为2.8mm，钻削柄2的壁厚1.2mm，顶端宽槽5宽度为5mm，宽槽槽深2mm；根据前述公式计算钻头顶端开细槽1数目确定为3个，细槽槽深0.3mm。细槽所嵌入的金刚石磨粒高度为细槽深度的1.0～1.3倍，细槽宽度为金刚石磨粒粒径的1.3～1.6倍。槽内排布顶端细槽金刚石4；顶端及侧面其余部分排布同粒度顶面金刚石6以及侧面金刚石7。钻头接柄选用六角柄连接，钻削设备采用电动钻削设备，冷却方式为水冷。钻削柄长度为40mm，制备后钻头外径规格为6mm。所用焊料为前述镍基焊料，其成分为镍、铬、铁、硅；其含量百分比为：镍84％～85％，铬4％～5％，铁6.5％～7.5％，硅4％～5％，进行真空炉中钎焊。钎焊温度选择1020度，保温20分钟。

对比钻头实施方案：转接基座、基体外径、基体材料、内孔等参数与尺寸与新发明一致，而钻头顶端无单个宽槽，顶端无细槽，顶端为圆环状，表面与侧面布同等参数品级金刚石，采用同等工艺真空钎焊。由上述可知，两种钻头不同的地方为本发明的关键之处：钻头顶端的结构设计。

对10mm厚高品级(AL2O3纯度99.0以上)陶瓷材料进行钻削测试，与传统6mm钎焊金刚石钻头相比，本发明所设计钻头，平均钻削效率比传统钻头高约10％左右，寿命提高1倍以上，且钻削过程基本稳定，说明本发明对于硬脆材料细孔的钻削领域是适合的。将本发明进行适宜的工业化应用，具有较好的经济效益与潜力。

利用所制作的细孔钻进行硬脆材料的钻削原理如下：将钻头转接基座与钻削设备牢固连接，启动设备与冷却系统，为利于钻头定位，钻头顶端与材料开始接触时，钻头中心轴线与水平面法线方向保持5°～20°的倾角，并绕水平面法线均匀转动，转运的同时施加一定的压力，钻头顶端便开始进行钻削，当钻进去1～3mm时，即可垂直钻削。在钻削时，冷却液通过钻头内孔、经过顶端宽槽直接接触金刚石磨粒界面，有效冷却，且基本无碎屑堵塞。当顶端金刚石磨粒钻削一段时间磨平后，细槽内的金刚石由于高于顶端平面，开始发挥钻削作用，这样可以保持钻头的持续钻削作用，提高了钻削过程的稳定性与钻削寿命。又由于金属钢铁相对于金刚石及硬脆材料的硬度较低，顶端槽边金属会在钻削过程中被较快磨损，因此顶端细槽附近钢铁不影响槽内的金刚石发挥作用。侧面焊接的金刚石利于对碎屑的排出与细孔内壁的修整。

本发明所设计钻头结合了钎焊技术的优势，充分利用了金刚石磨粒的自锐性与良好钻削性，并在此基础上创造性地改进设计了新型细孔钻基体，使其更适用于细小孔的钻削工作，基于上述的设计与发明，与传统钎焊金刚石孔钻相比，新型细孔钻基体不仅能较好地应用于小孔、深孔、盲孔等的钻削工作，而且效率提高10％以上，更重要的是具有更好的钻削稳定性以及高出一倍以上的钻削寿命。

实施例2

本实施例中，在钻削头的顶端设置有一个宽槽5，宽度等于内孔3的直径1/3，深度1mm，除去宽槽5部分后其余为钻削部分，钻削部分设置有细槽，细槽1内嵌入金刚石磨粒，即顶端细槽金刚石4，并在钻削头顶端其余部分以及顶端侧壁排布金刚石磨粒，分别为顶面金刚石6以及侧面金刚石7，侧壁排布宽度3mm～12mm；细槽所嵌入的金刚石磨粒高度为细槽深度的1.0～1.3倍，细槽宽度为金刚石磨粒粒径的1.3～1.6倍。

基体材料为钢，上端排布的金刚石粒度为0.15mm，基体外径3mm，钻削柄2的壁厚0.8mm，顶端宽槽5宽度为1mm，槽深5mm，以钻头中心轴为基准，钻削柄内孔与外径的同轴度均控制在±0.05mm之内。槽内排布顶端细槽金刚石4；顶端及侧面其余部分排布同粒度顶面金刚石6以及侧面金刚石7。钻头接柄选用内螺纹连接，钻削设备采用电动钻削设备，冷却方式为水冷。钻削柄长度为20mm，制备后钻头外径规格为3mm。所用焊料为铜基系列钎焊焊料，进行真空炉中钎焊。

实施例3

本实施例中，在钻削头的顶端设置有一个宽槽5，宽度等于内孔3的直径1/4，深度1mm，除去宽槽5部分后其余为钻削部分，钻削部分设置有细槽，细槽1内嵌入金刚石磨粒，即顶端细槽金刚石4，并在钻削头顶端其余部分以及顶端侧壁排布金刚石磨粒，分别为顶面金刚石6以及侧面金刚石7，侧壁排布宽度3mm～12mm；细槽所嵌入的金刚石磨粒高度为细槽深度的1.0～1.3倍，细槽宽度为金刚石磨粒粒径的1.3～1.6倍。

基体材料为钢，上端排布的金刚石粒度为0.5mm，基体外径1.2mm，钻削柄2的壁厚0.9mm，顶端宽槽5宽度为1mm，槽深1mm。槽内排布顶端细槽金刚石4；顶端及侧面其余部分排布同粒度顶面金刚石6以及侧面金刚石7。钻头接柄选用内螺纹连接，钻削设备采用电动钻削设备，冷却方式为水冷。钻削柄长度为60mm，制备后钻头外径规格为22mm。所用焊料为银基系列钎焊焊料，进行真空炉中钎焊。

实施例4

本实施例中，在钻削头的顶端设置有一个宽槽5，宽度等于内孔3的直径1/2，深度1mm，除去宽槽5部分后其余为钻削部分，钻削部分设置有细槽，细槽1内嵌入金刚石磨粒，即顶端细槽金刚石4，并在钻削头顶端其余部分以及顶端侧壁排布金刚石磨粒，分别为顶面金刚石6以及侧面金刚石7，侧壁排布宽度3mm～12mm；细槽所嵌入的金刚石磨粒高度为细槽深度的1.0～1.3倍，细槽宽度为金刚石磨粒粒径的1.3～1.6倍。

基体材料为钢，上端排布的金刚石粒度为0.5mm，基体外径4mm，钻削柄2的壁厚2.0mm，顶端宽槽5宽度为1mm，槽深5mm。槽内排布顶端细槽金刚石4；顶端及侧面其余部分排布同粒度顶面金刚石6以及侧面金刚石7。钻头接柄选用内螺纹连接，钻削设备采用电动钻削设备，冷却方式为水冷。钻削柄长度为60mm，制备后钻头外径规格为122mm。所用焊料为银基系列钎焊焊料，进行真空炉中钎焊。

Claims (9)

1.一种用于硬脆材料钻削的钎焊金刚石细孔钻，其特征在于，所述的钎焊金刚石细孔钻自下而上依次包括转接基座、钻削柄(2)、钻削头；所述的转接基座、钻削柄为连通的中空结构；所述的钻削头的顶端设置有一个宽槽(5)，所述的宽槽(5)为一个通槽，宽度等于钻削柄内孔(3)的直径的1/2-1/4，深度1mm～5mm；所述的钻削头的顶端除去宽槽(5)部分后其余为钻削部分，钻削部分设置有细槽，所述的细槽垂直于宽槽两边分布，细槽(1)内嵌入金刚石磨粒，并在钻削头顶端其余部分以及顶端侧壁排布金刚石磨粒，侧壁排布宽度3mm～12mm；细槽所嵌入的金刚石磨粒高度为细槽深度的1.0～1.3倍，细槽宽度为金刚石磨粒粒径的1.3～1.6倍；所述的钻削头的顶端宽槽每一边所开细槽的数目由下列公式计算：

式中，n为细槽的数目，n取整数，D为钻削头外径，l为细槽宽度，k为宽度系数，取1.5～2.5。

2.根据权利要求1所述的一种用于硬脆材料钻削的钎焊金刚石细孔钻，其特征在

于，所述的转接基座与所匹配的钻削设备连接，通过内螺纹式、六角柄式或者圆柄式的多种连接方式；所述的转接基座其芯部是中空的。

3.根据权利要求1所述的一种用于硬脆材料钻削的钎焊金刚石细孔钻，其特征在于，所述的钻削柄长度在20mm～60mm之间，所述的钻削柄内孔与外径之间的壁厚在0.8～2.0mm之间。

4.根据权利要求3所述的一种用于硬脆材料钻削的钎焊金刚石细孔钻，其特征在于，所述的钻削柄芯部是中空的，与转接基座相通；在钻削柄(2)与转接基座之间进行倒圆角。

5.根据权利要求3所述的一种用于硬脆材料钻削的钎焊金刚石细孔钻，其特征在于，以钻削头中心轴为基准，所述的钻削柄内孔(3)与外径的同轴度均控制在±0.05mm之内。

6.根据权利要求1所述的一种用于硬脆材料钻削的钎焊金刚石细孔钻，其特征在于，所述的钻削头的顶端进行R0.5～R1.0的倒角。

7.根据权利要求1所述的一种用于硬脆材料钻削的钎焊金刚石细孔钻，其特征在于，所述金刚石磨粒平均粒径在0.15mm～0.50mm之间。

8.根据权利要求1所述的一种用于硬脆材料钻削的钎焊金刚石细孔钻，其特征在于，所述的钻削头的外径规格范围在3mm～122mm之间。

9.根据权利要求1所述的一种用于硬脆材料钻削的钎焊金刚石细孔钻，其特征在于，所述的钎焊金刚石细孔钻在排布好磨粒后进行钎焊法固结；焊料为镍基焊料或银基系列钎焊焊料或铜基系列钎焊焊料；镍基焊料其成分为镍、铬、铁、硅，其含量百分比为：镍84％～85％，铬4％～5％，铁6.5％～7.5％，硅4％～5％。